Учебное пособие "Мир клетки" Модуль 2 "Основные принципы структурной организации клетки" к Программе "Путешествие в мир клетки"

Раздел 2. Общие принципы структурной организации клетки

При изучении этого раздела Вы узнаете:

• общий план строения клетки, как основы единства органического мира, доказательства родства живой природы;

• особенности строения и физиологии прокариотической клетки;

• строение эукариотической клетки на микроскопическом и ультрамикроскопическом уровне;

• морфофункциональные особенности клеточных органелл;

• отличительные структурные особенности растительной и животной клетки.

При изучении этого раздела Вы научитесь:

• на таблицах, схемах, микропрепаратах отличать растительные и животные клетки;

• на рисунках, схемах, микропрепаратах и микрофотографиях отличать структурные компоненты клеток и описывать их.

Элементарной единицей всего живого является клетка - наименьшая жизнеспособная единица. По своему химическому составу все живые существа очень сходны. Основные компоненты всякой клетки - это нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК), белки, жиры, углеводы. Изучение ультрамикроскопического строения различных типов клеток позволило выявить заметные различия между бактериями, цианобактериями с одной стороны и растениями и животными – с другой стороны. Различия между ними настолько велики, что эти две группы организмов отнесены к различным наиболее крупным таксономическим единицам – империи Прокариоты и Эукариоты.

Прокариот мы вправе рассматривать как реликтовые формы, сохранившиеся (и процветающие!) с самых ранних времен биологической эволюции. А появление эукариот, возникших, более всего вероятно, из прокариот - как величайший скачок эволюции органического мира.

Для наиболее полного усвоения учебного материала об особенностях строения прокариотических клеток Вам необходимо вспомнить следующие темы из курса биологии (6 класс): основы классификации бактерий, особенности строения бактериальной клетки, значение бактерий в природе и жизни человека.

В настоящее время бактерии выделены в отдельное царство. Наиболее распространённой системой классификации бактерий является система Берги.

Бактерии - одноклеточные организмы, лишенные хлорофилла и размножающиеся, в основном простым делением, поэтому их раньше относили к дробянкам. По форме различают шаровидные бактерии, палочковидные и извитые. Шаровидные бактерии называются кокки (coccus - зерно). Размеры кокков 1-1,5 мкм. Кокки различаются между собой в зависимости от расположения клеток в мазке (это определяется особенностями их деления). Одиночные кокки называются микрококки, в основном это сапрофитные обитатели воздуха, воды и почвы, среди них мало болезнетворных организмов. Диплококки лежат в мазке попарно, среди них есть возбудители опасных для человека инфекционных заболеваний: пневмококки, гонококки и менингококки. Стрептококки в мазке расположены в виде цепочки, это возбудители гнойных инфекций – ангины (тонзиллита), пневмонии, отита, послеродового сепсиса и др. Тетракокки в мазке лежат по четыре клетки, и как правило это не патогенные (не вызывающие заболевания) микробы. Стафилококки в мазке расположены в виде беспорядочных скоплений, напоминающих гроздья винограда. Стафилококки, так же как и стрептококки, являются пиогенными (гноеродными) микроорганизмами. Они являются возбудителями отита, гайморита, остеомиелита, мастита, сепсиса и многих других гнойных заболеваний.

Палочковидные бактерии (от гр. bacteriae - палочка) имеют цилиндрическую форму и в мазке располагаются обычно одиночно, но иногда попарно (диплобактерии) или в виде цепочек (стрептобактерии). Палочки, образующие споры, называются бациллами. Спорообразующие анаэробы, живущие в безкислородной срезе, называются клостридиями. Среди бактерий много возбудителей инфекционных заболеваний: чумы, сибирской язвы, столбняка, гангрены, дифтерии, кишечной инфекции.

Извитые формы бактерий имеют вид спирали, с завитками - это спириллы. Спириллы - безвредные микроорганизмы, живущие в сточных или загрязненных водах, а также в гниющих отбросах. Только Spirillum minus вызывает у человека болезнь укуса крыс - содоку.

В

аааа

Спирохеты - бактерии, которые строением клеток и способом передвижения отличаются от всех других бактерий. В клетках спирохет можно различать три главных компонента: спирально извитой протоплазматический цилиндр, осевые фибриллы и наружную оболочку.

Бактериальная клетка состоит из клеточной оболочки, цитоплазматической мембраны и цитоплазмы, которая содержит ядерное вещество и различные включения и органеллы.

1. . Особенности строения и физиологии прокариотической клетки

Строение и некоторые функциональные особенности прокариотичсских клеток мы рассмотрим более подробно. Прежде чем перейти к деталям, отметим ос­новные признаки, отличающие прокариотическую клетку от эукариотической. Клетки прокариот очень малы. Подавляющее большинство бактерий имеет размеры не более 1 мкм толщиной и 5 мкм длиной.

ДНК прокариотической клетки не окружена ядерной мембраной, а органеллы типа митохондрий и хлоропластов отсутствуют. Область ядерного вещества, видимая на электронной микрофотографии ультратонко­го среза клетки в виде сетчатой структуры из тонких нитей, граничит с заполненной рибосомами цитоплазмой. У многих бактерий впячивания плазматической мембраны образуют структуры во внутреннем пространстве цитоплазмы - это мезосомы, участвующие в реакциях энергетического обмена и процессе деления.

В цитоплазме бактерии расположены рибосомы - гранулы, состоящие из р-РНК и белка. Рибосомы осуществляют синтез белка. Рибосомы прокариот меньше, чем цитоплазматические рибосомы эукариот, они относятся к типу 70S. Скопления рибосом называются полисомы.

В
ся генетическая информация клетки прокариот содержится в одной единственной кольцевой нити ДНК - нуклеоиде - «бактериальной хромосоме». Нуклеоид содержит гистоноподобные белки. Молекула ДНК у всех до сих пор исследованных бактерий имеет вид кольцевой нити длиной 0,25-3 мм. У многих бактерий были обнаружены внехромосомные, замкнутые в кольцо молекулы ДНК - плазмиды. Информация, содержащаяся в плазмидах, не является необходимой для клеток и чаще всего несет гены устойчивости бактерии к различным факторам, а также половой F-фактор (фактор фертильности). Бактерии, как правило, размножаются путем бинарного деления клетки. Делению клетки предшествует удвоение или репликация бактериальной ДНК.

Клеточная оболочка прокариот двух или трехслойна. Капсула – это наружный, слизистый слой (химический состав капсулы: 98 % воды, остальное приходится на долю полисахаридов), у различных бактерий капсула имеет разное развитие. Одни бактерии образуют капсулу, когда попадают в организм хозяина (например, пневмококки), другие обладают постоянной капсулой.

К
апсула предохраняет бактерию от действия фагоцитов и других иммунных факторов организма хозяина. Клеточная стенка - оболочка, которая оделяет микробную клетку от окружающей среды. Клеточная стенка прочная и эластичная, имеет толщину 10-20 нм. Прочность стенке придает сеть микрофибрилл из пептидогликана (муреина), погруженных в матрикс. В матриксе обнаружены полисахариды, липиды, белки. Обладая избирательной проницаемостью, клеточная стенка обеспечивает прохождение в клетку различных веществ: воды, глюкозы, аминокислот, жирных кислот и др. Более крупные молекулы органических веществ в клетку проникнуть не могут без предварительного расщепления ферментами, выделяемыми клеткой. Цитоплазматическая мембрана (самый внутренний слой) имеет типичное строение элементарной мембраны. При плазмолизе тело клетки отделяется от клеточной стенки. Клеточная стенка под действием лизоцима или пенициллина разрушается. Бактерии, целиком лишенные клеточной стенки, называются протопластами, а имеющие остатки ее - сферопластами. Эти образования, покрытые тонкой цитоплазматической мембраной, могут существовать только в специальных осмотически уравновешенных средах (5-20 % сахарозы).

Многие бактерии содержат включения - гранулы крахмала, белка, гликогена, зерна волютина (что часто является важным диагностическим признаком).

Некоторые бактерии, попадая в неблагоприятные условия, образуют споры внутри тела. Спора устойчива к высушиванию, действию низких температур, химических и дезинфицирующих веществ. Спорообразование свойственно бациллам. Спорообразование - это

процесс обособления ядерного вещества и части цитоплазмы оболочкой, состоящей из липидов солей кальция и минимальным содержанием воды. Спорообразование длится 18-20 часов.

Оставшаяся (вегетативная) часть клетки вскоре отмирает. В споре затухают все обменные

процессы. У различных видов бактерий споры различаются по размеру, форме и по расположению. Возбудитель столбняка, например, образует круглую спору на самом конце палочки. У возбудителя сибирской язвы спора расположена посередине. Возбудитель ботулизма имеет очень большую спору на конце клетки.

Многие прокариоты подвижны - они перемещаются путем плавания или скольжения. Органами движения плавающих бактерий служат особые «бактериальные» жгутики. Эти жгутики устроены значительно проще, чем у эукариот, и состоят из одной-единственной фибриллы.

Физиологическими особенностями прокариотической клетки являются: аэробный и анаэробный тип дыхания, синтез белка (транскрипция и трансляция) в одних компартментах клетки.

Табл. 1 Сравнительная характеристика прокариотических и эукариотисческих организмов

29